Учебно - исследовательский проект "Обычная стирка - история и химия"

Обычная стирка – история и химия

Содержание

Введение…………………………………………………………………3-4

1 Теоретическая часть. В мире синтетических моющих средств

1.1 Процесс стирки в истории развития человечества ………………..5

1.2 Механизм действия синтетических моющих средств на различные                                     виды загрязнений……………………………………………………….5-8

1.3 Состав стиральных порошков…………………………….............8-10

1.4 ПАВ и СМС вокруг нас…………………………………………..10-11

2 Практическая часть

2.1 Опыты по определению моющего действия мыльного раствора в воде разной жесткости…………………………………………………..12

2.2 Определение  взаимосвязи состава стиральных порошков и их способностью удалять различные виды загрязнений……………12-14

Заключение...........................................................................................15

Список использованных источников информации.............................16

Приложения.....................................................................................17-18

Введение.

Актуальность работы. Обычному человеку крайне сложно сориентироваться в столь богатом разнообразии предлагаемых стиральных порошков. Проблема выбора средства для стирки рано или поздно встает перед любой хозяйкой. Хочется найти  качественное  и эффективное средство, и при этом - по доступной цене. Основным показателем качества стиральных порошков является их  способность эффективно  удалять  различные загрязнения.

Выбор стирального порошка, подходящего для данной конкретной семьи, представляет определенную  проблему, решить которую поможет данное исследование.

 Объект исследования – синтетические моющие средства.

Предмет исследования – стиральные порошки.

Цель: определить взаимосвязь состава стиральных порошков и их способностью  удалять различные виды загрязнений.

Задачи:

1.     Рассмотреть процесс стирки в истории развития человечества.

2.     Установить механизм действия синтетических моющих средств на различные виды загрязнений.

3.     Изучить состав стиральных порошков.

4.     Провести исследование по определению моющего действия мыльного раствора в воде разной жесткости.

5.     Установить  экспериментальным путем  взаимосвязь между составом стиральных порошков и их способностью удалять различные виды загрязнений.

Гипотеза: если состав стиральных порошков идентичен, то они будут одинаковым образом удалять различные виды загрязнений.

Методы исследования: теоретические (анализ, синтез),  практические (эксперимент) и эмпирические(наблюдение, сравнение).

Нами  были изучены и обработаны следующие материалы: литературные источники, среди которых учебная,  справочная, научно-популярная  литература,    и интернет ресурсы. В структуру данной работы входят введение, две части, заключение,  список использованных источников информации.

1.     Теоретическая часть. В мире синтетических моющих средств.

1.1 . Процесс стирки в  истории  развития человечества.

    Когда еще не было не только стиральных порошков, но и мыла, человечество для стирки использовало разнообразные способы. В Древнем Египте для стирки использовали соду или получали карбонат калия (основная составная часть золы), с помощью которого тоже стирали.  Египтяне открыли, что сок некоторых растений, смешиваясь с водой, дает пену и отстирывает пятна.  В Древней Греции люди выбирали места с глинистой почвой, выкапывали ямы, в которые наливали воду. Белье бросали в такую яму и топтали ногами до получения нужного результата. После такой стирки одежду полоскали в чистой воде и сушили. В Древнем Риме использовали золу и жир.  Индусы брали в руку белье и с силой били им об огромный валун до тех пор, пока одежда не станет чистой. В Средневековой Европе стирали на берегу водоема или в фонтанах и бассейнах. Белье сначала кипятили, а затем относили к водоему, там полоскали одежду.            В Древней Руси и России славяне сначала замачивали белье в кадках или других вместительных емкостях.  Часто в них  добавляли отбеливатели растительного происхождения: золу от подсолнухов, отвар  фасоли или картофеля, скисшее молоко, овечью мочу, могли использовать сок бузины или  других растений, образующих пену. В те годы обычно стирали только нижнее белье, а  верхнюю одежду чистили щеткой над паром. 

   Старинными орудиями для стирки были  рубель, валек, стиральные доски.  Рубель - доска с ручкой из дерева, на одной стороне ее были поперечные скругленные рубцы, а другая сторона была гладкой или с декором для красоты. Рубель использовали для прокатки белья после стирки, разглаживания, ведь утюгов в то время еще не было, поэтому второе название рубеля - "катальная палка". Древесина для рубеля бралась обычно от деревьев твердых пород: дуб, рябина, бук, клен, береза. Валек русские женщины применяли для выколачивания белья при стирке, чтобы оно лучше отстирывалось. Одежду стирали в большом ведре или в лохани, часто используя валек или мешалку для белья. Это деревянная палка, на конце которой находится конус или несколько «ножек». Мешалку опускали в ведро с бельем и крутили. Затем  стали использовать стиральные доски. 

   1.2. Механизм действия синтетических моющих средств на различные                                     виды загрязнений.

   Обычное мыло отмывает  разнообразные загрязнения. Причиной этому – мыльная пена, которую образуют молекулы, находящиеся на границе поверхностей воды и воздуха, жира или других сред. Любое моющее средство, в том числе и мыло – это так называемые тензиды или поверхностно-активные вещества, а если сокращенно, то ПАВы.

Поверхностно-активные вещества обладают способностью снижать поверхностное натяжение воды, позволяя ей лучше смачивать разнообразные поверхности.

Поверхностное натяжение воды – интереснейшее природное явление, с которым знакомы многие. Например,  если стакан осторожно наполнить водой полностью, то ее уровень может подняться выше  края стакана,

образуя выпуклость, заметную глазом. Этот избыток воды удерживается особой водяной пленкой, не позволяющей жидкости стечь вниз. Этот  природный эффект используют некоторые насекомые для  передвижения  по спокойной поверхности водоемов.

Рассмотрим механизм возникновения такой пленки.  Условно «выберем»  одну молекулу воды, которая находится в тесном контакте с другими молекулами воды  и  испытывает на себе их воздействие.  Так как воздействие одинаково со всех сторон, то все силы, действующие на условно «выбранную» нами молекулу, взаимно уравновешены.  Если условно «выбранная» нами молекула окажется на поверхности воды, то есть на границе раздела вода – воздух, то она будет испытывать воздействие других молекул воды только с трех  сторон: слева, справа и снизу.  При этом, силы, которые действуют на условно «выбранную»  нами молекулу из глубины, то есть снизу, будут преобладать, так как силы, действующие слева и справа, компенсируют друг друга.  Так как условно «выбранная» нами молекула притягивается к  поверхности воды, то это  приводит к образованию относительно прочной  поверхностной пленки, которая и обеспечивает эффект поверхностного натяжения. (Рисунок 1)

Рис.1.Молекулы воды втягиваются внутрь водяной массы – происходит образование поверхностной пленки.

Известно, что моющие средства  снижают поверхностное натяжение воды.  Обычное мыло обладает существенными недостатками.  Мыла плохо моют в жесткой воде, так как  соединения кальция и магния, присутствующие в такой воде, образуют нерастворимые соединения при стирке.  Кроме того, мыла в воде подвергаются процессу гидролиза (омылению),  в результате которого образуются щелочи – едкие соединения, оказывающие вредное воздействие на некоторые ткани (шерсть, шелк и др.).  Еще   один существенный недостаток – это то, что при производстве мыла расходуется огромное количество ценных пищевых жиров животного  и растительного происхождения.

В последние десятилетия использование мыла для стирки тканей, очистки стеклянных, керамических, деревянных, металлических и полимерных изделий значительно сократилось в связи с появлением синтетических моющих средств (СМС), называемых так же детергентами. СМС появились на потребительском рынке  еще в 1907 году,   СМС с биологически активными добавками используются с 1967 года.

Основу всех синтетических моющих средств  составляют поверхностно – активные вещества (ПАВ), которые так же, как и мыло, снижают поверхностное натяжение воды. ПАВ – это органические соединения, в молекулах которых содержатся одновременно две противоположные по свойствам группы атомов: гидрофильные, легко растворяющиеся в воде, и гидрофобные, отталкивающиеся от нее. Поэтому молекулы ПАВ на пограничной поверхности (на границе вода-воздух, вода-масло, вода-уголь и т.д.) располагаются в определенном порядке: гидрофильные группы направлены в воду, а гидрофобные выталкиваются из нее.  В результате вся поверхность воды покрыта своеобразным «частоколом» из молекул ПАВ. Такой «частокол» очень тонкий(0,1 нм), но благодаря ему снижается поверхностное натяжение воды, что способствует  быстрому и полному смачиванию различных предметов.  Так как процесс мытья и стирки  очень сильно затрудняет поверхностное натяжение, то главная задача ПАВ – понизить  это натяжение (рисунок  2).

Рис.2. Схема моющего действия ПАВ: 1- прилипшая к поверхности частица (например, жир); 2- распределение молекул ПАВ на этой частице; 3- отрыв частицы от поверхности и переход ее в моющий раствор; 4- вынос частицы на поверхность раствора.

Процесс удаления  загрязнений  с  какой либо поверхности (например, ткани) происходит следующим образом.   Молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности ткани и на загрязняющих ее частицах (жировые пятна, сажа и др.) и проникают в зазоры между ними. Полностью покрытая такими молекулами частица отделяется от поверхности ткани и в виде эмульсии или суспензии уходит в раствор. Поверхностно активные вещества – хорошие пенообразователи и стабилизаторы эмульсии. Пена, образующаяся при использовании синтетического моющего средства, так же выполняет очень важную роль: загрязняющие частицы, прилипшие к ее пузырькам, удаляются вместе с ней из моющего раствора.

1.3  Состав стиральных порошков.

   В состав стиральных порошков входят разнообразные ферменты. Ферменты (лат. Fermentum -  брожение, бродильное начало; синоним энзимы) — специфические вещества белковой природы, присутствующие в тканях и клетках всех живых организмов и способные во много раз ускорять протекающие в них химические реакции (Таблица 1). Вещества, в небольших количествах ускоряющие химические реакции в результате взаимодействия с реагирующими соединениями (субстратами), но не входящие в состав образовавшихся продуктов и остающиеся неизмененными по окончании реакции, называют катализаторами. 

Таблица 1.

Ферменты, входящие в состав стиральных порошков

 Кроме ферментов в состав синтетических моющих средств – стиральных порошков -  входят отбеливатели.  Кислородосодержащий (или химический) отбеливатель способствуют удалению пятен растительного происхождения (фрукты, вино, чай, трава). Кроме этого, отбеливает и освежает ткани. Кислородосодержащие отбеливатели эффективны при температуре выше 60 С, потому что именно с этой температуры начинается интенсивное выделение активного кислорода. Возможность использовать порошок с кислородосодержащим отбеливателем и при более низкой температуре дает вводимый в состав порошка активатор химического отбеливателя Tide. 
Энзимы (или биодобавки, или ферменты) – это биологически активные вещества, которые способствуют удалению органического загрязнения. Щелочные протеазы расщепляют белковые загрязнения, амилазы – крахмальные, липазы – жировые. Энзимы целлюлозы освежают цвет и предотвращают появление катышков, кератиназы способствуют удалению остатков отвержденного белка. Как правило, в состав стирального порошка входит комбинация этих энзимов, и они усиливают действие друг друга. Порошок с энзимами – это хороший дорогой порошок, но  большинство энзимов становятся  эффективными при температуре 40^оС, поэтому использовать стиральный порошок с биодобавками при высокой температуре, например, при кипячении, просто бессмысленно. Изделия из натурального шелка и чистошерстяных тканей нельзя стирать порошками с биодобавками (ферментами). Натуральные шелк и шерсть нельзя стирать порошками с энзимами, так как они расщепляют пятна грязи белкового происхождения и постепенно разрушают волокна любой натуральной ткани.

1.4  ПАВ и СМС вокруг нас.

ПАВ применяют практически везде:

·   в текстильной промышленности для  отмывания  поступающей на фабрики пряжи и шерсти, а так же очистки готовой продукции;  для равномерного распределения красителей при окрашивании тканей;

·   при изготовлении и обработке светочувствительных материалов (фото- и кинопленки, фотобумаги) для достижения равномерного нанесения светочувствительной эмульсии;

·   в качестве добавок в цементы и цементные растворы для улучшения их свойств (например, повышается прочность,  долговечность и морозостойкость отвердевших бетонов);

·   в сельском хозяйстве при приготовлении эмульсий ядохимикатов для уничтожения сельскохозяйственных вредителей; для улучшения структуры почвы, уменьшения эрозии,  лучшего проникновения и сохранения влаги;

·   в  производстве  лекарственных  препаратов,  получении  разнообразных  косметических  средств (кремов,  мазей,  лосьонов, зубных паст и т. д.).

Однако, основное количество ПАВ идет на получение синтетических моющих средств.  В настоящее время известно много отечественных и импортных СМС, используемых в быту  и технике. Состав СМС практически одинаков, несмотря на красочные этикетки, звучные названия,  рекламные  проспекты и ролики, разница в дозировке или незначительном добавлении тех или иных веществ. СМС применяют не только для бытовых целей, но и практически во всех отраслях промышленности: для очистки автомобилей и самолетов, сельскохозяйственной техники, танкеров и нефтехранилищ, станков и огромных химических реакторов.

К сожалению, многие ПАВ, входящие в состав синтетических моющих средств, трудно поддаются биологическому разложению. Поступая со сточными водами в реки и озера, они загрязняют окружающую среду.  В результате образуется огромное количество пены в канализационных трубах, а так же в водоемах, куда попадают промышленные и бытовые стоки.  Использование таких СМС приводит к гибели всех живых обитателей в воде.   Поэтому при создании новых ПАВ необходимо учитывать не только их моющую способность, но и способность к биологическому распаду – уничтожению некоторыми видами микроорганизмов.

2.     Практическая часть.

2.1  Опыты по определению моющего действия мыльного раствора в воде разной жесткости.

Опыт 1.

К небольшому количеству растертого  в порошок мела добавляем  раствор 9% уксуса, наблюдаем выделение газа.

Опыт 2.

В чистую пробирку наливаем  до половины воды и добавляем   8-10 капель мыльного раствора, перемешиваем  содержимое, встряхнув пробирку несколько раз.  Затем  добавляем  в пробирку с мыльной пеной 4- 6 капель  раствора  из первой пробирки, наблюдаем появление осадка. 

Опыт 3.

В чистую пробирку наливаем  до половины воды и добавляем  4- 6 капель  раствора из первой пробирки, а затем   8-10 капель мыльного раствора, перемешиваем  содержимое, встряхнув пробирку несколько раз.  Несмотря на изменение порядка действий в этом опыте, результат будет тот же: наблюдаем выпадение осадка.  

Опыт 4.

 Наливаем  в пробирку до половины воды и добавляем  несколько капель раствора из первой пробирки.  Насыпаем в эту же пробирку  пол-ложки соды, встряхиваем  пробирку несколько, закрыв ее плотно пальцем. Через некоторое время жидкость станет прозрачной, а на дне будет виден небольшой осадок.    Осторожно  сливаем прозрачную жидкость в другую пробирку, добавляем  в нее несколько капель мыльного раствора и встряхиваем. В пробирке появится пена.

Вывод: мыльный раствор наиболее эффективен в мягкой воде; в жесткой воде частично теряет  свои моющие свойства.

2.2. Определение  взаимосвязи состава стиральных порошков и их способностью удалять различные виды загрязнений.

Методика  эксперимента.

На три куска белой хлопчатобумажной ткани размером 10 X 20 см нанесли пятна (2 ряда по 3 пятна) загрязнений в следующем порядке: молоко, растительное масло, сок свеклы, кофе, кетчуп, черный фломастер. Оставили образцы на сутки.  (Приложение 1, 2)

В три емкости налили по 1 л теплой воды, растворили в каждой из них  по одной столовой ложке исследуемых  стиральных порошков: в первой миске – образец порошка №1, во второй - №2, в третьей -№3. Образцы ткани замочили на час, в течение следующего часа каждые 15 минут руками простирывали образцы, стараясь  делать это одинаковое количество раз и  с одинаковыми усилиями. После этого образцы ткани прополоскали и высушили досуха. (Приложение 3). Результаты исследования занесли в таблицу 2.

Таблица 2.

Результаты исследования по определению  взаимосвязи состава СМС и их способностью удалять различные виды загрязнений

Вывод: на основании полученных результатов  установлена взаимосвязь  состава стиральных порошков и их способностью  удалять  различные виды загрязнений.

   Определено, что в условиях проведения эксперимента, порошок «Persil» наиболее эффективен. Несколько меньшей моющей способностью обладает «Tide». Порошок «Миф» оказался наименее эффективным. Самым трудно отстирываемым пятном оказалось пятно от фломастера.

Заключение.

 Основным показателем качества стиральных порошков является их  способность эффективно  удалять  различные загрязнения.

Для удаления различных видов загрязнений  в состав стирального порошка вводится целый комплекс химических соединений, каждое из которых выполняет свою определенную функцию. Основную функцию в стиральных порошках выполняют поверхностно-активные вещества (ПАВ) – они присутствуют в любом синтетическом моющем средстве. Помогают им полимеры, которые предотвращают повторное оседание частиц загрязнений на ткань, и фосфаты, которые уменьшают жесткость воды и тем самым повышают эффективность стирки и предотвращают образование накипи на деталях стиральной машины.   Не менее важная роль принадлежит ферментам – биологически активным катализаторам, которые ускоряют процесс удаления различных видов загрязнений в процессе стирки.

В  теоретической части исследования представлены исторические сведения о процессе стирки, описан механизм действия синтетических моющих средств на различные виды загрязнений, установлен состав стиральных порошков, показано использование ПАВ и СМС в различных отраслях промышленности и повседневной жизни человека.

В практической части проведены опыты по определению моющего действия мыльного раствора в воде разной жесткости. Установлено, что свои моющие свойства мыльный раствор сохраняет  в мягкой воде, в жесткой воде эти свойства практически теряются.

Экспериментально определена  взаимосвязь состава стиральных порошков и их способность удалять различные виды загрязнений. Определено, что в условиях проведения эксперимента, порошок «Persil» наиболее эффективен. Несколько меньшей моющей способностью обладает «Tide». Порошок «Миф» оказался наименее эффективным. Самым трудно отстирываемым пятном оказалось пятно от фломастера.

Гипотеза исследования -  если состав стиральных порошков идентичен, то они будут одинаковым образом удалять различные виды загрязнений -   полностью подтверждена.

Список использованных источников информации

Печатные источники

1.     Аликберова Л. Ю. Занимательная химия: Книга для учащихся, учителей и родителей/ Л. Ю. Аликберова. – М.6 АСТ-ПРЕСС, 2002. – 560 с.: ил. – (Занимательные уроки).

2.     Артеменко А. И. Удивительный мир органической химии / А. И. Артеменко. – М.: Дрофа, 2004. -256 с.: ил. – (Познавательно! Занимательно!).

3.     Гроссе Э., Вайсмантель Х. Химия для любознательных.  Основы химии и занимательные опыты / Э. Гроссе, Х. Вайсмантель. – ГДР. 1974. – Пер. с нем. – Л.: Химия, 1980. -392 с.: ил.

4.     Кременчугская М. А., Васильев С. Ю. Химия.  Новейший справочник школьника/ М. А. Кременчугсская,  С. Ю. Васильев. – М.: Филол. о-во СЛОВО, Изд-во Эксмо, 2005. – 478 с.

5.     Юдин А. М. Химия в нашем доме/ А. М. Юдин. – М.: Химия, 1990. -272 с.: ил.

Интернет – ресурсы

1.     http://future4you.ru

Приложение 1.

Фото 1. Нанесение различных загрязнений (кетчуп, фломастер, растительное масло, сок свеклы, молоко) на белую хлопчатобумажную ткань.

Приложение 2.

Фото 2. Образцы ткани с загрязнениями  и исследуемые СМС

Миф, Tide, Persil

Приложение 3.

Фото 3. Образцы  ткани с загрязнениями в растворах исследуемых СМС

Скачано с www.znanio.ru